1

Genetiko utiskivanje

Otkrie i osnovne karakteristike genetikog utiskivanja

U diploidnim organizmima somatske elije poseduju dve kopije genoma, jednu nasleenu od majke, a drugu od oca. To znai da je svaki gen prisutan u dve kopije. Najvei broj gena eksprimira se simultano sa oba alela. Kod nekih vrsta, manji broj gena se eksprimira samo sa jednog alela, i to zavisno od roditeljskog porekla. Ova pojava naziva se genetiko utiskivanje (eng. genetic imprinting).

Fraza utiskivanje (eng. imprinting) prvi put je upotrebljena 70-tih godina prolog veka da opie genetike izmene u insektu Pseudococcua nipae. Kod ove vrste insekta, u embrionima iz kojih e razviti mujaci, jedan haploidan set hromozoma je u formi heterohromatina i takav ostaje u veini tkiva, to znai da su mujaci praktino haploidni. Kada je genom oveka u pitanju, pojam hromozomsko utiskivanje prvi put je upotrebljen za opis inaktivacije jednog hromozoma X u somatskim elijama kod ena.

Poetkom 90-tih godina prolog veka, Zhang i Tycko otkrili su da se gen za faktor rasta 2 slian insulinu (Igf2) u embrionalnom tkivu jetre eksprimira samo sa alela nasleenog od oca. Ovakav obrazac ekspresije posledica je metilacije molekula DNK u regionu koji se nalazi izmeu pojaivaa i promotora ovog gena (slika 1),

Slika 1. Utiskivanje gena za faktor rasta 2 slianu insulinu (Igf2). Kao posledica metilacije segmenta molekula DNK poreklom od oca, regulatorni protein vezan za uzvodni pojaiva regulie ekspresiju gena Igf2. Na majinom hromozomu ovaj region nije metilovan, tako da je ekspresija gena blokirana vezivanjem regulatornih proteina CTCF za izolator koji se nalazi izmeu pojaivaa i promotora gena Igf2.

Nakon gena Igf2, u genomima sisara, cvetnica, insekata i crva otkriven je odreen broj utisnutih gena, a danas se procenjuje da je u genomima sisara utisnuto je nekoliko stotina gena. U poslednje vreme sve ee se koristi i termin genomsko utiskivanje (eng. genomic imprinting). Procenjuje se da je genetiko, odnosno genomsko utiskivanje, kao vid

2

epigenetikog mehanizma regulacije ekspresije eukariotskih gena, relativno mlad fenomen, star izmeu 150 i 210 miliona godina i da je nezavisno evoluirao kod cvetnica i ivotinja.

Genetiko utiskivanje moe biti tkivno- ili razvojno specifian fenomen. Tako, kod mieva i oveka gen za ubikvitin protein ligazu 3 (Ube3a) utisnut je samo u specifinim regionima modanog tkiva gde se eksprimira sa majinog alela. U drugim delovima nervnog tkiva, kao i u ostalim organima, ovaj gen se eksprimira sa oba alela. Gen Igf2 eksprimira se sa oevog alela u gotovo svim fetalnim tkivima, ukljuujui i jetru. Za razliku od fetalne, u adultnoj jetri ovaj gen eksprimira se sa oba alela.

Poreklo genetikog utiskivanja

Postoje miljenja da je genetiko utiskivanje, slino drugim epigenetikim mehanizmima, evoluiralo iz potrebe da se u eukariotskim elijama utiaju strani molekuli DNK, kao to su nukleinske kiseline virusa ili mobilni genetiki elementi. Ovu hipotezu o poreklu genetikog utiskivanja podrava injenica da se veliki broj insertovanih retrovirusa u genomima eukariota nalazi upravo izmeu utisnutih gena. Meutim, vei broj naunika smatra da je pojava genetikog utiskivanja kod sisara posledica evolucionog fitnesa, odnosno parentalnog konflikta tokom razvoja embriona. Zato se ova hipoteza o poreklu genetikog utiskivanja naziva hipoteza roditeljskog konflikta (eng. parental conflict). Ona predvia da je pojava genetikog utiskivanja rezultat razliitih interesa roditelja u evolucionom fitnesu svojih gena. Mujak je vie zainteresovan za rast svojih potomaka, dok je interes enke da sauva resurse zbog sopstvenog preivljavanja.

U cilju ispitivanja ove hipoteze vreni su eksperimenti na oploenim jajnim elijama mieva, tehnologijom transfera nukleusa. Ova tehnologija omoguava da se oploenim jajnim elijama mieva vri zamena pronukleusa (slika 2). Zamenom pronukleusa enke sa donorskim pronukleusom mujaka dobija se zigot sa dva genoma poreklom od oca. Od ovakvih zigota razvijaju se androgenetiki embrioni (eng. androgenetic embryos). Istovremeno, zamenom pronukeusa mujaka sa donorskim pronukleusom enke dobija se zigot sa dva genoma poreklom od majke, koji se razvija u ginogenetiki embrion (eng. gynogenetic embryos).

Obe vrste zigota dobijenih zahvaljui tehnologiji transfera nukleusa transplantirani su u materice surogat majki i praen je njihov embrionalni razvoj. Razvoj embriona sa dve kopije genoma jednog od roditelja zavravao se letalnim ishodom. Zbog toga je prvi rezultat ovih eksperimenata bila potvrda pretpostavke da je za normalan embrionalni razvoj potrebno prisustvo genoma oba roditelja.

3

Slika 2. Tehnologija transfera nukleusa omoguila je eksperimentalno istraivanje genetikog utiskivanja. Eksperimentalnom manipulacijom sa oploenim jajnim elijama i donorskim pronukleusima enki i mujaka mogue je izvriti zamenu haploidnog genoma poreklom od majke sa haploidnim genomom poreklom od oca i obrnuto. Kao posledica ove eksperimentalne manipulacije razvijaju se embrioni sa dve kopije genoma majke ili dve kopije genoma oca iji embrionalni razvoj ima letalni ishod.

Embrioni sa dve kopije oevog genoma imali su relativno normalno placentalno razvie, ali su procesi organogeneze bili slabi. Suprotno njima, embrioni sa dve kopije genoma majke imali su slabo placentalno razvie (embrioni su bili manje veliine od neizmenjenih embriona u istim nedeljama embrionalnog razvoja), ali su procesi organogeneze bili relativno ouvani. Smatra se da su ove embrionalne razlike posledica poremeaja u obrascu ekspresije utisnutih gena.

Molekularna osnova genetikog utiskivanja

U osnovi genetikog utiskivanja je metilacija molekula DNK, i to metilacija citozina u okviru dinukleotida CpG u regionima koji se nazivaju CpG ostrvca (eng. CpG islands) i ree citozina u okviru sekvence CpNpG (gde je N bilo koji nukleotid) (slika 3). Duina CpG ostrvaca kree se od 0,5 do 4 kb. Analiza genoma oveka pokazala je da preko polovina gena za proteine sadri CpG ostrvca, i to na svojim 5-krajevima. Procena je da u genomu oveka postoji preko 20 000 CpG ostrvaca.

Enzim odgovoran za metilaciju citozina u DNK je DNK-metiltransferaza (DNMT), dok je donor metil grupe S-adenozil metionin. Otkriven je vei broj enzima DNTM i one pripadaju

4

familiji enzima DNMT. Ova familija enzima ukljuuje i DNMT za odravanje, koje vre metilaciju novosintetisanih lanaca DNK neposredno nakon replikacije.

Pored 5-metil citozina u regionima metilovane DNK utvreno je i prisustvo 5-hidroksimetil citozina.

Slika 3. Metilacija citozina u 5-metil citozin u molekulu DNK. Metilaciju citozina vre enzimi DNK-metiltransferaze a donor metil grupe je S-adenozil metionin. Najee se metiluju citozini u okviru dinukleotida CpG u regionima koji se nazivaju CpG ostrvca. Ova ostrvca nalaze se u 5'-krajevima preko polovine gena za proteine u genomu oveka.

Genetiko utiskivanje je dinamian proces (slika 4). U primordijalnim polnim elijama dolazi do uklanjanja prethodnog obrasca genetikog utiskivanja ekstenzivnom demetilacijom molekula DNK. Demetilacija molekula DNK u primordijalnim polnim elijama naziva se i brisanje obrasca genetikog utiskivanja. Obrazac genetikog utiskivanja uspostavlja se opet u polnim elijama. Tokom sazrevanja jajnih elija i spermatozoida uspostavlja se razliit obrazac genetikog utiskivanja.

Nakon fertilizacije dolazi do ponovnog brisanja obrasca genetikog utiskivanja. De novo metilacija molekula DNK odvija se u ranom stupnju embrionalnog razvoja (blastule) pre gastrulacije, kada je ve odreen pol embriona. Proces brisanja i ponovnog uspostavljanja genetikog utiskivanja je neophodan uslov da bi obrazac genetikog utiskivanja odgovarao polu jedinke.

Do danas nije poznato koji su enzimi DNTM ukljueni u procese uspostavljanja obrasca genetikog utiskivanja tokom sazrevanja primordijalnih germinativnih elija i u ranom stadijumu embrionalnog razvia (blastule). Enzimi kandidati su DNMT 3a, DNTM 3b, a mogue i DNTM1.

Regulacija procesa uspostavljanja obrasca genetikog utiskivanja nije poznata, ali se smatra da znaajnu ulogu imaju posttranslacione modifikacije N-krajeva histona (histonski kod), naroito metilacija lizinskih ostataka histona H3. Tokom ranog embrionalnog razvia mia u uspostavljanju obrasca genetikog utiskivanja na hromozomima poreklom od majke uestvuje protein koji prepoznaje metilovani lizin na poziciji 9 histona H3 (PGC7/STELLA).

5

Slika 4. Genetiko utiskivanje je dinamian proces. Tokom razvoja primordijalnih germinativnih elija i ranog embrionalnog razvoja registrovana je pojava intenzivne demetilacije molekula DNK. Ova pojava naziva se brisanje obrasca genetikog utiskivanja, a njen bioloki znaaj ogleda se u tome da se u zrelim polnim elijama, kao i u embrionu uspostavi obrazac genetikog utiskivanja koji odgovara polu jedinke. Ponovno uspostavljanje obrasca genetikog utiskivanja vre enzimi DNK-metiltransferaze.

Utisnuti geni

U genomu oveka detektovano je preko 150 utisnutih gena, a procenjuje se da bi ukupno 1-2% gena moglo biti utisnuto. Osnovni problem u identifikaciji utisnutih gena je dinaminost procesa genetikog utiskivanja i utiskivanje odreenih gena samo tokom embrionalnog razvoja i neposredno nakon roenja. Takoe, proces je i tkivno-specifian, tako da su neki geni utisnuti samo u odreenom tkivu, dok se u drugim tkivima i organima eksprimiraju sa oba alela. Lista utisnutih gena moe se videti na internet stranicama http://www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting/ i http://igc.otago.ac.nz/.

Luedi i saradnici, 2005. godine razvili su bioinformatiki algoritam za analizu genoma u cilju identifikacije tzv. utisnutih genomskih motiva. Utisnute genske motive karakterie prisustvo CpG ostrvaca, sekvence koje po svojoj primarnoj strukturi mogu odgovarati regulatornim elementima, tako da je za njih mogue vezivanje DNK-vezivnih proteina na nain specifian od sekvence, kao i prisustvo sekvenci retrovirusa. Korienjem ovog algoritma u genomu mia identifikovano je preko 600 gena kandidata koji bi mogli biti utisnuti.

6

Procenjuje se da je oko 80% utisnutih gena oveka locirano u najmanje 16 klastera koji se nazivaju utisnuti domeni (slika 5). Samo organizovanje utisnutih gena u klastere ukazuje na postojanje koordinisane kontrole njihove ekspresije. Sedam utisnutih domena su veliine od 80 do 3 700 kb i sadre od 3 do 12 (ili vie) utisnutih gena. U najveem broju sluajeva, u okviru jednog utisnutog domena svi utisnuti geni se eksprimiraju sa alela koji se nalaze ili na majinom ili na oevom hromozomu, dok se na hromozomu poreklom od drugog roditelja u okviru istog domena nalaze utiane kopije gena.

Slika 5. Utisnuti domeni. Utisnuti geni (rozi kvadrati na enskom i plavi na mukom hromozomu) organizovani su u klastere u kojima se nalazi od 3 do 12 utisnutih gena. U okviru domena nalaze se i neutisnuti geni (svetloplavi kvadrati), kao i najmanje jedan gen koji kodira dugu nekodirajuu RNK (lncRNK). Pored gena, domeni sadre i regulatorne elemente, kao to su diferencijalno metilovani region (DMR) (narandasti polukrugovi) i kontrolni region utiskivanja (ICR) (uti kvadrati). Crnim kruiima obeleeni su metilovani dinukleotidi CpG, dok su belim kruiima obeleeni nemetilovani dinukleotidi CpG u regionima kontrolnih elemenata.

Pored utisnutih gena, u svakom domenu nalaze se i neutisnuti geni, kao i najmanje jedan gen za dugu nekodirajuu RNK (eng. long non-coding RNA, lncRNA).

Najvie istraivani utisnuti domeni u genomu oveka su 1 Mb dug klaster u regionu 11p15.5 sa najmanje 8 gena i 2.2 Mb dug klaster u regionu 15q11 - q13 sa vie od 10 gena.

Meta-analiza rezultata analize ekspresije utisnutih gena korienjem genskih ipova pokazala je i postojanje mree utisnutih gena (eng. imprinted gene network, IGN) regulisane proteinom Zac1. Protein Zac1 uestvuje u regulaciji apoptoze i zastoja elije u G1 fazi elijskog ciklusa. Pored toga, Zac1 kao regulatorni protein uestvuje u regulaciji ekspresije utisnutih gena. Smatra se da ova mrea utisnutih gena ima znaajnu ulogu u procesima vezanim za embrionalni rast. IGN regulisana proteinom Zac1 ukljuuje najmanje 16 utisnutih gena (Igf2, H19, Cdkn1c i Dlk1, npr.) iz razliitih utisnutih domena. Ovi geni pokazuju trend koekspresije i koordinisane promene u ekspresiji kao odgovor na procese diferencijacije ili mutacija.

Manji broj utisnutih gena nalazi se van utisnutih domena. Jedan od njih je gen U2af1-rs1 (eng. U2af1-related sequence-1) na hromozomu 11 kunog mia. Ovaj gen ne sadri introne, eksprimira se samo u mozgu i to sa oevog alela. Kodira faktor splajsovanja koji je homolog faktoru splajsovanja U2AF (eng. U2 small nuclear RNA auxiliary factor).

U genomima sisara, utisnuti geni kodiraju regulatorne proteine transkripcije, faktore rasta, receptore faktora rasta i proteine ukljuene u puteve prenosa signala. Veina ovih gena

7

svoju bioloku ulogu ostvaruje u kontroli embrionalnog rasta i razvia, ukljuujui i razvie placente. Ostali utisnuti geni ukljueni su u postnatalno razvie, naroito tokom perioda sisanja. Poslednjih godina, neki naunici smatraju da je jedna od osnovnih uloga fenomena genetikog utiskivanja u procesima prenosa hranljivih materija iz placente u embrion. Nain na koji proteini utisnutih gena uestvuju u ovim procesima jo uvek nije poznat.

Pored uloge u embrionalnom i postnatalnom razviu, utisnuti geni imaju ulogu u razviu i funkcionisanju nervnog sistema. Sve je vie dokaza da ekspresija utisnutih gena ima ulogu u razliitim aspektima biologije ponaanja, kao to su sposobnosti govora i uenja i razvoja materinskog instinkta. Pored toga, pojedini nauni timovi danas istrauju moguu povezanost genetikog utiskivanja sa seksualnom orijentacijom mukaraca, gojaznou i alkoholizmom.

Regulacija ekspresije utisnutih gena

Grupisanje utisnutih gena u klastere omoguava im da dele zajednike regulatorne elemente, kao to su: diferencijalno metilovani regioni (DMR) ili kontrolni regioni utiskivanja (eng. imprinting control region, ICR). Kontrolne regione utiskivanja neki autori nazivaju i kontrolni elementi utiskivanja (ICE) (slika 6). Duina regulatornih elemenata u utisnutom domenu je nekoliko kb. Njihova eksperimentalna delecija dovodi do poremeaja u ekspresiji utisnutih gena i demetilacije alela utianih kopija gena.

Slika 6. Kontrolni regioni utiskivanja (ICR) ili kontrolni elementi utiskivanja (ICE). ICR su regulatorni elementi locirani u utisnutom domenu koji reguliu ekspresiju utisnutih gena. Tokom sazrevanja polnih elija, ICR trpe epigenetike promene, tako da su u somatskim elijama za interakciju sa proteinima dostupni samo ICR koji se nalaze u istom hromozomu kao i transkripciono neaktivni aleli utisnutih gena (NI neutisnuti gen, IG utisnuti gen, IG-NC gen za ncRNK, Mat hromozom poreklom od majke, Pat hromozom poreklom od oca, ICE kontrolni element utiskivanja).

Analiza metilacije DNK i kovalentnih modifikacija N-krajeva histona u regulatornim elemenatima utisnutih domena pokazala je da oni trpe epigenetike modifikacije tokom diferencijacije polnih elija. Zbog toga je aktivnost DMR i ICR ograniena samo na jedan hromozom, i to na onaj u kome se nalaze transkripciono neaktivni aleli utisnutih gena. Na hromozomu na kome se nalaze trankripciono aktivni aleli utisnutih gena, regulatorni elementi su metilovani, a N-krajevi histona nose represivni epigenetiki "potpis". Poslednja istraivanja pokazuju da histonski kod ipak nema veliki znaaj u regulaciji ekspresije utisnutih gena.

8

Kontrolni regioni utiskivanja koji svoju ulogu stiu tokom oogeneze nazivaju se majini ICR. Kod oveka to su ICR koji kontroliu utisnuti domen KCNQ1 na hromozomu 11, utisnut domen GNAS na hromozomu 20 i utisnut domen PWS (Prader-Willi Syndrome) na hromozomu 15. Dva utisnuta domena su kontrolisana regionima koji svoju ulogu stiu tokom spermatogeneze. To su utisnut domen IGF2-H19 na hromozomu 11 i utisnut domen DLK1-DIO3 na hromozomu 14. Ovi regulatorni regioni nazivaju se oevi ICR.

Kod tri utisnuta domena (GNAS, KCNQ1 i DLK1-DIO3) delecija regulatornih elemenata sa hromozoma na kome se nalaze transkripciono aktivni aleli nema efekta na ekspresiju utisnutih gena. Meutim, delecija regulatornih elemenata sa hromozoma u kojima se nalaze transkripciono neaktivni aleli dovodi do poremeaja ekspresije utisnutih gena, i to tako da oba alela postaju transkripciono aktivna (slika 7).

Slika 7. Efekat delecije kontrolnih elemenata na ekspresiju utisnutih gena. U jednom utisnutom domenu, delecija kontrolnog elementa (DMR) samo sa hromozoma u kome se nalaze transkripciono neaktivni aleli ima efekta na ekspresiju utisnutih gena. Ova delecija blokira i ekspresiju gena za lncRNK (desno). Delecija epigenetiki utianog DMR-a sa hromozoma na kome se nalaze transkripciono aktivni aleli nema efekta na ekspresiju utisnutih gena (levo).

Za najmanje dva utisnuta domena kod oveka pokazano je da poseduju vei broj regulatornih elemenata koji ne moraju imati isto roditeljsko poreklo. U okviru tih domena, regulacija ekspresije utisnutih gena je mnogo sloenija.

Centralnu ulogu u regulaciji utisnutih domena imaju lncRNK, koje uglavnom slue kao platforma za regrutovanje proteina koji uvode alel-specifine epigenetike promene. Domeni GNAS, KCNQ1 i IGF2-H19 kodiraju lncRNK, koje se transkribuju samo sa jednog roditeljskog hromozoma. U okviru jednog domena, transkripciono aktivni alel gena za lncRNK nalazi se na istom hromozomu na kome se nalaze i transkripciono neaktivni aleli utisnutih gena. Drugim reima, u majinom ICR, transkripciono aktivni alel lncRNK nalazi se na hromozomu poreklom od majke, a u oevom ICR na hromozomu poreklom od oca. Ekspresija gena za lncRNK u okviru utisnutog domena regulisana je od strane njegovih regulatornih elemenata. Naime, delecija epigenetiki neutiane kopije regulatornog elementa ima negativan efekat na ekspresiju gena za lncRNK u okviru jednog utisnutog domena.

9

Airn (eng. Antisense to Igf2r RNA, Airn) je utisnuti gen za lncRNK i eksprimira se sa oevog hromozoma. Transkribuje se sa antisense lanca u odnosu na utisnuti gen Igf2r, koji kodira receptor za faktor rasta 2 slinog insulinu (eng. insulin-like growth factor type 2 receptor, Igf2r). Duga nekodirajua RNK Airn ima ulogu u utiavanju najmanje tri gena sa oevog hromozoma (IGF2R, SLC22A2 i SLC22A3) koji se nalaze u regionu dugom 300 kb na hromozomu 17 oveka. Ona se vezuje za promotor jednog od ova tri gena i regrutuje histon-metiltransferaze, koje uestvuju u formiranju heterohromatina. Ova pojava naziva se RNK-posredovano utiavanje gena.

RNK-posredovano utiavanje gena u utisnutim domenima moe se ostvariti kroz kompeticiju za RNK polimerazu II izmeu promotora gena za lncRNK i promotora utisnutih gena, Drugi mehanizam je aktiviranje utiavanja gena putem RNK interferencije kada sparivanjem iRNK prepisane sa utisnutog gena i lncRNK prepisane sa antisense lanca nastaje dvolanani RNK prekursor za endogene siRNK.

U okviru utisnutih domena eksprimira se na stotine malih nekodirajuih RNK ija je duina do 105 nukleotida. One se nazivaju kratke ncRNK (eng. short ncRNA). Njihova uloga u regulaciji ekspresije utisnutih gena jo uvek nije poznata. Dosadanja istraivanja pokazuju da mikroRNK nemaju direktnu ulogu u regulaciji ekspresije utisnutih gena.

Genetiko utiskivanje i bolesti oveka

Utisnuti geni se eksprimiraju samo sa jednog alela zbog ega imaju vei rizik od inaktivacije u somatskim elijama. Njihvoa inaktivacija moe biti posledica kako mutacija u aktivnim alelima utisnutih gena, tako i epigenetikih poremeaja. U sluaju inaktivacije neutisnutog alela dolazi do potpunog gubitka ekspresije utisnutih gena. Ova pojava naziva se gubitak genetikog utiskivanja (eng. loss of imprinting, LOI).

Gubitak genetikog utiskivanja ili drugi poremeaji u ekspresiji utisnutih gena dovode do razvoja bolesti oveka, koje su obino vezane za deiji uzrast.

Prader-Willi sindrom opisan je 1956. godine i karakterie se hipogonadizmom, hipotonijom skeletnih miia, poveanjem telesne mase, tremorom, poremeajima u kogniciji i ponaanju i facijalnom ekspresijom konstantnog smeha. Procenjuje se da danas u svetu ivi gotovo pola miliona ljudi sa ovom boleu. Godine 1981. pojava ovog sindroma povezana je sa delecijom na hromozomu 15. Pet godina kasnije pokazano je da delecija obuhvata region 15q11.2-q13 i to samo na hromozomu poreklom od oca. Delecija u oevom hromozomu uzrokuje gubitak ekspresije utisnutih gena koji se eksprimiraju sa oevih alela, to za posledicu ima razvoj bolesti. Delecija istog regiona u majinom hromozomu dovodi do razvoja Angelman sindroma uzrokovanog gubitkom ekspresije utisnutih gena koji se eksprimiraju sa majinih alela. Ovaj sindrom je opisan 1965. godine i karakterie se poremaajima u razvoju, intelektu i spavanju, epileptinim napadima, trzajima, i utiskom srenog ponaanja sa estim smehom. Za razvoj Angelman sindroma dovoljna je delecija ili inaktivacija majinog alela za ubikvitin protein ligazu 3 (UBE3A) u regionu 15q11-13, koji je utisnut samo u hipokampusu i cerebelumu.

10

Gubitak genetikog utiskivanja je uzrok pojave i Silver-Russell-ovog sindroma koga karakteriu brojna prenatalna i postnatalna oteenja ukljuujui i mentalnu retardaciju. Stopa uestalosti ovog sindroma je 1 oboleli u 75.000 novoroenih. Posebno teka klinika slika karakterie Beckwith-Wiedemann sindrom. Stopa mortaliteta beba sa ovim sindromom iznosi preko 20%.

Poslednjih godina intenzivno se istrauje uloga poremeaja u obrascu ekspresije utisnutih gena sa razvojem pisihijatrijskih (shizofrenije i depresije) i malignih bolesti (leukemije, karcinoma dojke, jajnika, prostate, plua i debelog creva).

11

Kljuni koncepti

Genetiko utiskivanje je pojava da se gen eskprimira samo sa jednog alela i to u zavisnosti od roditeljskog porekla. Utisnuti geni su opisani u genomima sisara, cvetnica, insekata i crva. Genetiko utiskivanje moe biti tkivno-i razvojno-specifian fenomen. U genomu oveka opisano je preko 150 utisnutih gena, a procenjuje da bi ukupno 1 do 2% gena moglo biti utisnuto.

U genomima sisara, utisnuti geni kodiraju proteine koji su ukljueni u kontrolu embrionalnog rasta i razvia, ukljuujui i razvie placente. Ostali utisnuti geni ukljueni su u postnatalno razvie, a neki imaju ulogu u razviu i funkcionisanju nervnog sistema.

Postoje miljenja da je genetiko utiskivanje evoluiralo od potrebe da se u elijama utiaju strani molekuli DNK, kao to su nukleinske kiseline virusa. Meutim, vei broj naunika podrava hipoteza roditeljskog konflikta, po koj je pojava genetikog utiskivanja kod sisara posledica evolucionog fitnesa, odnosno konflikta roditelja tokom razvoja embriona.

U osnovi genetikog utiskivanja je metilacija molekula DNK, i to metilacija citozina u okviru dinukleotida CpG u CpG ostrvcima. Enzimi odgovorni za modifikaciju citozina u DNK su DNK-metiltransferaze, dok je donor metil grupe S-adenozil metionin.

Genetiko utiskivanje je dinamian proces. Ekstenzivna demetilacija molekula DNK u primordijalnim germinativnim elijama uklanja prethodni obrazac genetikog utiskivanja (brisanje obrasca genetikog utiskivanja).Tokom sazrevanja polnih elija uspostavlja se obrazac genetikog utiskivanja specifian za muke i enske polne elije. Nakon fertilizacije dolazi do ponovnog brisanja obrasca genetikog utiskivanja. De novo metilacija molekula DNK odvija se u ranom stupnju embrionalnog razvoja nakon to je odreen pol embriona. Proces brisanja i ponovnog uspostavljanja genetikog utiskivanja je neophodan uslov da bi obrazac utiskivanja odgovarao polu jedinke.

Procenjuje se da je oko 80% utisnutih gena kod oveka locirano u najmanje 16 klastera koji se nazivaju utisnuti domeni. Organizovanje utisnutih gena u klastere omoguava koordinisanu kontrolu ekspresije ovih gena. Sedam utisnutih domena je veliine od 80 3 700kb i sadri od 3 do 12 (ili vie) utisnutih gena. Pored utisnutih gena u svakom domenu nalazi se najmanje jedan gen za dugu nekodirajuu RNK, kao i neutisnuti geni.

Meta-analiza rezultata analize ekspresije utisnutih gena korienjem genskih ipova pokazala je i postojanje mree utisnutih gena regulisane proteinom Zac1. Geni iz

12

razliitih utisnutih domena u ovoj mrei pokazuju trend koekspresije i koordinisane promene u ekspresiji kao odgovor na procese diferencijacije ili mutacije nekih od njih.

Utisnuti geni u utisnutim domenima dele zajednike regulatorne elemente: diferencijalno metilovane regione (DMR) ili kontrolne regione utiskivanja (ICR). Pored njih, centralnu ulogu u regulaciji utisnutih domena imaju lncRNK, koje uglavnom slue kao platforma za regrutovanje proteina koji uvode alel-specifine epigenetike promene.

Utisnuti geni imaju vei rizik od inaktivacije u somatskim elijama jer se eksprimiraju samo sa jednog alela. U sluaju inaktivacije neutisnutog alela dolazi do potpunog gubitka ekspresije utisnutih gena, poznatog pod nazivom gubitak genetikog utiskivanja. Gubitak genetikog utiskivanja ili drugi poremeaji u ekspresiji utisnutih gena dovode do razvoja bolesti oveka, uglavnom sindroma vezanih za deiji uzrast.

13

Pitanja

1. ta je genetiko utiskivanje? 2. ta je molekularna osnova genetikog utiskivanja? 3. Objasni hipotezu parentalnog konflikta o nastanku genetikog utiskivanja. 4. Zato se genetiko utiskivanje definie kao dinamini proces? 5. ta je utisnuti domen? 6. Kako se regulie ekspresija utisnutih gena? 7. ta je kontrolni region utiskivanja? 8. Koja je uloga dugih nekodirajuih RNK u regulaciji ekspresije utisnutih gena? 9. ta se podrazumeva pod pojmom gubitka genetikog utiskivanja? 10. Navedi bolesti koje su posledica gubitka genetikog utiskivanja.

14

Literatura

1. Abramowitz LK, Bartolomei MS. Genomic imprinting: recognition and marking of imprinted loci. Curr Opin Genet Dev. 2012;22(2):72-8.

2. Bartolomei MS. Genomic imprinting: employing and avoiding epigenetic processes. Genes Dev. 2009; 23(18):2124-33.

3. Barlow DP, Bartolomei MS. Genomic imprinting in mammals. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2014; 6(2).

4. Butler MG. Prader-Willi syndrome: obesity due to genomic imprinting. Curr Genomics. 2011;12(3):204215.

5. Feil R, Goto Y, Umlauf D. Molecular Genetics of Genomic Imprinting. In: Genomics and Genetics. Meyers RA, ed. KGaA, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. 2007. pp .191-204..

6. Hackett JA, Surani MA. DNA methylation dynamics during the mammalian life cycle. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013;368(1609):20110328.

7. Ishida M, Moore GE. The role of imprinted genes in humans. Mol Aspects Med. 2013;34(4):826-40.

8. Lawson HA, Cheverud JM, Wolf JB. Genomic imprinting and parent-of-origin effects on complex traits. Nat Rev Genet. 2013;14(9):609-17.

9. Li Y, Sasaki H. Genomic imprinting in mammals: its life cycle, molecular mechanisms and reprogramming. Cell Res. 2011;21(3):466-73.

10. Renfree MB, Suzuki S, Kaneko-Ishino T. The origin and evolution of genomic imprinting and viviparity in mammals. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013; 368 (1609):20120151.